臨近高壓氣井對(duì)隧道施工安全的影響分析

項(xiàng)榮軍，盧保東，周志順，付曉壯，王 鏹

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500)

本文以黃瓜山隧道及其臨近高壓氣井為研究對(duì)象，在對(duì)地質(zhì)、施工和現(xiàn)場(chǎng)資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果提出了隧道施工中應(yīng)注意到的因素，并對(duì)可能出現(xiàn)的有害氣體泄漏、瓦斯涌出、圍巖失穩(wěn)等災(zāi)害提出對(duì)策與建議。

1 工程背景

黃瓜山隧道位于重慶市永川區(qū)南大街虎石壩村，隧址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕低山地貌，為狹窄條狀山，走向自東北而西南延伸與構(gòu)造線一致，隧道最大埋深約225.5 m。該區(qū)屬四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和四季分明，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，季風(fēng)氣候顯著。勘察區(qū)地表水系屬長(zhǎng)江水系，多呈樹(shù)枝狀，次有羽毛狀。隧址區(qū)地層主要為第四系人工填土、殘坡積層、崩坡堆積層、三疊系上統(tǒng)須家河組。隧道左線K4+180左64 m存在一廢棄的黃瓜山19井，井口裝置CY-160型，井口裝置完好，存在5.8 MPa的氣藏壓力。氣井內(nèi)藏壓力對(duì)隧道圍巖和掌子面存在附加應(yīng)力，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力釋放可能產(chǎn)生較大的坍塌。

2 高壓氣井對(duì)隧道影響分析

2.1 隧道施工中存在的問(wèn)題

在隧道圍巖開(kāi)挖過(guò)程中工作面前方圍巖是處于不斷壓密的狀態(tài)，滲透率也因此在減小，而當(dāng)巖體被挖出后，滲透率隨著內(nèi)在應(yīng)力的釋放而增加，該過(guò)程易導(dǎo)致隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛壬仙Ｆ浯蚊簬r滲透率的變化由煤巖的變形損傷演化過(guò)程決定，當(dāng)煤巖發(fā)生破壞后導(dǎo)致煤巖變形較快，滲透率會(huì)因此迅速增加。因此，在研究隧道瓦斯災(zāi)害、圍巖變形等危險(xiǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮到氣體、圍巖、施工等多種因素。

該井對(duì)隧道施工形成的安全隱患主要有兩點(diǎn)，一是隧道在穿越時(shí)，由于該井井下不是垂直井眼，與氣井井筒有較高概率交叉，將造成井筒水泥環(huán)破損，有毒氣體將泄露；二是修建隧道進(jìn)行施工爆破作業(yè)時(shí)，爆炸波將造成井筒水泥環(huán)破損坍塌，進(jìn)而引起井內(nèi)殘余瓦斯氣體通過(guò)滲流作用影響到隧道的施工安全。

(1)圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題

黃瓜山19號(hào)井位于隧道左線K4+180左64 m處，開(kāi)井時(shí)間為1958年9月，在1979年12月停產(chǎn)。由于氣井仍存在5.8 MPa的氣藏壓力，根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)和場(chǎng)地裂隙較發(fā)育情況，氣井在氣藏力作用下有所增大，影響半徑約為120 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，氣井影響隧道右線范圍為K4+122.2～K4+259，隧道左線影響范圍為K+072.8～K4+282.5；同時(shí)，氣井內(nèi)藏壓力對(duì)隧道圍巖巖體存在附應(yīng)加力影響，且由于該施工段圍巖等級(jí)較低為Ⅳ級(jí)圍巖，故在隧道成洞過(guò)程中發(fā)生應(yīng)力釋放，可能會(huì)產(chǎn)生較大的坍塌，影響隧道圍巖穩(wěn)定性。

(2)瓦斯災(zāi)害

黃瓜山19號(hào)井為天然氣開(kāi)采井，雖已廢棄但開(kāi)采面并沒(méi)有封堵，且該施工段也處在低瓦斯工作區(qū)中，但瓦斯存在一定的壓力，受壓狀態(tài)瓦斯容易產(chǎn)生積聚而形成瓦斯突出。故在施工過(guò)程中需特別注意施工擾動(dòng)對(duì)瓦斯產(chǎn)生的影響和瓦斯?jié)舛龋乐雇咚剐孤⑼咚贡ê屯咚怪卸镜韧咚篂?zāi)害。

(3)高壓氣井水泥環(huán)坍塌

由于施工過(guò)程中會(huì)應(yīng)用到爆破等開(kāi)挖手段，必會(huì)對(duì)周邊造成一定程度的擾動(dòng)，尤其因?yàn)闅饩旧泶嬖诓貕毫?huì)對(duì)隧道圍巖巖體存在附加力影響，故在開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)，可能會(huì)使氣井水泥環(huán)造成破壞甚至坍塌。

2.2 隧道圍巖氣固耦合模型分析

隧道與氣井間的巖層是承擔(dān)高壓與瓦斯?jié)B透的物理材料，其距離厚度對(duì)施工安全影響非常顯著，基于有限元法使用COMSOL MULTIPHYSICS軟件建立與實(shí)際案例條件一致的有限元模型進(jìn)行模擬分析。

(1)材料參數(shù)

黃瓜山隧道臨近高壓氣井施工段的圍巖主要的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖與瓦斯參數(shù)

(2)數(shù)值分析模型

有限元模型為二維平面模型，模型的建立分為三個(gè)部分：隧道、高壓氣井、周邊地質(zhì)模塊，整個(gè)模型高98 m，寬90 m，左邊半圓形為高壓氣井，埋深20 m，下方為施工隧道頂部。

為了研究臨近高壓氣井對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響，根據(jù)既有高壓氣井與隧道的位置關(guān)系，分別對(duì)隧道與高壓氣井的距離為64 m(實(shí)際情況)、30 m、15 m進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊、自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)模塊進(jìn)行計(jì)算。其中對(duì)于收斂條件的設(shè)置在本數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)對(duì)容差與殘差的設(shè)定來(lái)監(jiān)視解的收斂性。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到所設(shè)定精度后，自動(dòng)結(jié)束迭代過(guò)程。

圖1 基礎(chǔ)模型網(wǎng)格圖

(3)氣井與隧道間瓦斯壓力

根據(jù)圖2所示，在高壓氣井與隧道圍巖距離64 m時(shí)，隧道圍巖處瓦斯壓力很低，尚未對(duì)隧道施工安全產(chǎn)生影響；30 m情況下，瓦斯壓力明顯增強(qiáng)，易發(fā)生瓦斯突出災(zāi)害；15 m情況下，圍巖表面瓦斯壓力在近氣井方向甚至超過(guò)了氣藏壓力本身，這是由于隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致圍壓壓縮瓦斯氣體致使其壓力升高，此時(shí)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛壬咔乙装l(fā)生瓦斯突出災(zāi)害進(jìn)而致使各類瓦斯災(zāi)害發(fā)生概率升高。隨著計(jì)算距離的縮短，高壓氣井對(duì)隧道瓦斯壓力在30 m時(shí)開(kāi)始顯著增強(qiáng)。

圖2 氣井與隧道間瓦斯壓力云圖

通過(guò)對(duì)以上數(shù)值模擬結(jié)果的分析可以得出。

(1)氣井距隧道的位置關(guān)系應(yīng)控制在大于30 m的距離，在這個(gè)范圍中，氣井對(duì)隧道的影響并不明顯，可以通過(guò)實(shí)時(shí)的瓦斯監(jiān)控與合理的支護(hù)與襯砌設(shè)置來(lái)降低隧道安全事故災(zāi)害的發(fā)生概率。

(2)而當(dāng)距離低于30 m時(shí)，隧道會(huì)受到氣井內(nèi)藏氣壓的附加應(yīng)力的影響，隧道輪廓會(huì)發(fā)生變形，對(duì)隧道安全施工造成不良影響并且使施工安全投入增加。

(3)最后通過(guò)數(shù)值模擬算出氣井影響半徑約120.81 m，可確定氣井影響隧道右線范圍：K4+122.7～K4+259.5，隧道左線影響范圍：K+072.3～K4+282.7。

最后，在將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比對(duì)后，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告中氣井的影響半徑為120 m，氣井影響隧道右線范圍：K4+122.2～K4+259，隧道左線影響范圍：K+072.8～K4+282.5，故數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，對(duì)分析實(shí)際臨近高壓氣段對(duì)隧道安全的影響有實(shí)際價(jià)值與意義。

3 臨近高壓氣井隧道施工段對(duì)策分析

3.1 高壓氣井與隧道安全距離

隧道與既有氣井間的安全距離直接影響隧道施工安全性，必須對(duì)安全距離進(jìn)行判斷。安全距離可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估算和理論計(jì)算得到，計(jì)算過(guò)程必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖水平、氣井壓力和尺寸、相對(duì)空間位置、埋深等參數(shù)確定。在施工中通過(guò)超前地質(zhì)鉆探獲取隧道圍巖的地質(zhì)構(gòu)造和煤系地層的各項(xiàng)參數(shù)。采用TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)隧道全斷面及圍巖的巖層、構(gòu)造破碎帶、軟弱巖層帶、煤系地層等進(jìn)行探測(cè)。隧道斷面施工每開(kāi)挖30 m進(jìn)行超前探測(cè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為35 m，其孔徑為75 mm在鉆孔過(guò)程中對(duì)瓦斯涌出情況進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)檢測(cè)瓦斯涌出變化以及CO、H2S等有毒有害氣體異常涌出的情況。最后根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算安全距離，為規(guī)避施工危險(xiǎn)提供參考。

3.2 災(zāi)害監(jiān)測(cè)

隧道監(jiān)測(cè)對(duì)于災(zāi)害的預(yù)防和應(yīng)急處理是至關(guān)重要的，可以在第一時(shí)間了解隧道開(kāi)挖的情況，能夠在災(zāi)害發(fā)生后及時(shí)作出相應(yīng)的應(yīng)急措施，尤其在臨近高壓氣隧道開(kāi)挖段是可以通過(guò)完善的監(jiān)測(cè)來(lái)避免災(zāi)害威脅到生命財(cái)產(chǎn)。首先應(yīng)該對(duì)隧道圍巖壓力和位移的變化做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，其次隧道的修建全程應(yīng)伴隨瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控量測(cè)，尤其對(duì)于臨近高壓氣井施工段更是必要的，對(duì)于該工段施工瓦斯監(jiān)測(cè)指標(biāo)方面應(yīng)格外注意兩個(gè)參數(shù)：一是瓦斯壓力，另一個(gè)是瓦斯涌出量。但需要注意的是這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)為靜態(tài)數(shù)據(jù)，故監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)盡量保證可以對(duì)隧道內(nèi)的瓦斯壓力和瓦斯涌出量的實(shí)時(shí)監(jiān)控性。

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)應(yīng)從機(jī)器與人工兩方面入手展開(kāi)，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)可以使用KJ70N型瓦斯自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，瓦斯?jié)舛缺仨殗?yán)格控制在0.5%以下。其次應(yīng)在施工中，指定專人對(duì)隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛群屯L(fēng)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，并且需對(duì)洞內(nèi)圍巖及地面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常要做到立即停工。

3.3 安全支護(hù)和瓦斯控制

為避免瓦斯積聚和瓦斯爆炸等危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)，加強(qiáng)通風(fēng)降低瓦斯?jié)舛仁潜ＷC施工安全的重要手段。根據(jù)隧道內(nèi)的瓦斯涌出情況，確定足夠的通風(fēng)量和合適的通風(fēng)設(shè)備及布置方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯涌出量以保證對(duì)應(yīng)的通風(fēng)量。若隧道與氣井的距離會(huì)受氣井的影響，在評(píng)估其危險(xiǎn)程度后制定具體支護(hù)方案。

3.4 安全管理

隧道的安全施工離不開(kāi)合理完善的隧道的安全管理體系與方法，始終把安全放在第一位，建設(shè)單位必須始終堅(jiān)持安全第一和預(yù)防為主的方針。作業(yè)人員作為生產(chǎn)活動(dòng)中的基本載體，起著不可替代的作用，災(zāi)害的發(fā)生與人為的誤操作和水平有著密切聯(lián)系。因此，確保生產(chǎn)活動(dòng)中人的行為安全性對(duì)降低事故災(zāi)害發(fā)生概率有著至關(guān)重要的作用。明確各崗位的安全責(zé)任，實(shí)行崗位責(zé)任制；設(shè)立監(jiān)督機(jī)制，明確獎(jiǎng)罰制度，實(shí)行監(jiān)督組輪換制，確保監(jiān)督力度，對(duì)各級(jí)各類人員進(jìn)行定期的安全檢查、考核、獎(jiǎng)懲兌現(xiàn)；明確合理的勞動(dòng)組織，采用合理規(guī)范的作業(yè)方法和動(dòng)作，作業(yè)人員持證上崗，并定期開(kāi)展安全教育培訓(xùn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

高壓氣井距隧道的位置關(guān)系應(yīng)控制在安全距離，安全距離主要受圍巖水平、氣井壓力和尺寸、相對(duì)空間位置、埋深等參數(shù)的影響，為確保隧道在復(fù)雜環(huán)境下的安全施工，根據(jù)工程實(shí)際情況計(jì)算安全距離是避免危險(xiǎn)的有效手段。穿越危險(xiǎn)地質(zhì)層的隧道施工中，在保證施工安全的前提下，對(duì)施工人員專業(yè)性、施工技術(shù)的要求比較高，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備和環(huán)境的管理；在監(jiān)控方面，從水平位移、垂直位移和瓦斯壓力與濃度方面進(jìn)行監(jiān)控，引入實(shí)時(shí)自動(dòng)化與人工結(jié)合的監(jiān)控方式，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)施工環(huán)境的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，災(zāi)害預(yù)測(cè)是有效預(yù)防或降低隧道施工災(zāi)害損失的途徑；同時(shí)確保隧道的通風(fēng)、圍巖支護(hù)有效性，避免瓦斯、圍巖變形對(duì)作業(yè)人員造成傷害。面對(duì)含瓦斯危險(xiǎn)的隧道施工，必須從各方面嚴(yán)格控制瓦斯風(fēng)險(xiǎn)和圍巖變形風(fēng)險(xiǎn)，制定切實(shí)可行的安全措施確保施工安全，同時(shí)保證公路隧道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。